खनिज और अयस्क

प्रकृति में पाए जाने वाले धातु के यौगिक को खनिज कहा जाता है। वे खनिज जिनसे धातु को आर्थिक रूप से और सुविधाजनक ढंग से निकाला जा सके, अयस्क कहलाते हैं। एक अयस्क सामान्यतः मिट्टी या अवांछित पदार्थों से दूषित होता है जिन्हें गैंग कहा जाता है।

(क) मूल अयस्क धातु को मुक्त अवस्था में रखते हैं। चाँदी, सोना, प्लैटिनम आदि मूल अयस्क के रूप में पाए जाते हैं।

(ख) ऑक्सीकृत अयस्क धातुओं के ऑक्साइडों या ऑक्सी-लवणों (जैसे कार्बोनेट, फॉस्फेट, सल्फेट और सिलिकेट) से बने होते हैं।

(ग) सल्फ्यूराइज़्ड अयस्क धातुओं के सल्फाइडों से बने होते हैं जैसे लोहा, सीसा, जिंक, पारा आदि।

(घ) हैलाइड अयस्क धातुओं के हैलाइडों से बने होते हैं।

धातुकर्म :

धातु को उसके अयस्क से निष्कर्षण/पृथक् करने के लिए प्रयुक्त वैज्ञानिक और तकनीकी प्रक्रिया को धातुकर्म कहा जाता है।

धातुओं को उनके अयस्कों से पृथक् करने और निष्कर्षण में निम्नलिखित प्रमुख चरण शामिल होते हैं:

(A) संचूर्णण और पीसना : अयस्क को सर्वप्रथम जॉ क्रशरों द्वारा संचूर्णित किया जाता है और चूर्ण बनाया जाता है।

(B) सांद्रण :

अयस्क से अनचाहे, निरर्थक अशुद्धियों को हटाने को अयस्क का संसाधन, सांद्रण या लाभकारिता कहा जाता है।

(i) हाइड्रोलिक धुलाई या गुरुत्वीय पृथक्करण या लेविगेशन विधि :

यह गैंग और अयस्क कणों के घनत्व में अंतर पर आधारित है। यह विधि प्रायः ऑक्साइड और मूल अयस्कों के सांद्रण के लिए प्रयुक्त होती है।

(ii) विद्युतचुंबकीय पृथक्करण :

यह अयस्क घटकों की चुंबकीय गुणधर्मों में अंतर पर आधारित है। क्रोमाइट अयस्क $(FeO.Cr_2O_3)$ को अचुंबकीय सिलिशियस अशुद्धियों से पृथक् किया जाता है और कैसिटेराइट अयस्क $(SnO_2)$ को चुंबकीय वोल्फ्रामाइट $(FeWO_4 + MnWO_4)$ से पृथक् किया जाता है।

(iii) फ्रॉथ फ्लोटेशन विधि। यह विधि निम्न-श्रेणी के सल्फाइड अयस्कों जैसे गैलेना, PbS (सीसे का अयस्क); कॉपर पाइराइट्स $Cu_2S.Fe_2S_3$ या $CuFeS_2$ (तांबे का अयस्क); जिंक ब्लेंड, $\mathrm{ZnS}$ (जस्ते का अयस्क) आदि के सांद्रीकरण के लिए प्रायः प्रयोग की जाती है, और यह तथ्य पर आधारित है कि गैंग और अयस्क कणों की पानी और पाइन ऑयल के साथ गीली होने की क्षमता भिन्न-भिन्न होती है; गैंग कण पानी द्वारा प्राथमिकता से गीले हो जाते हैं जबकि अयस्क कण तेल द्वारा। इस प्रक्रिया में एक या अधिक रासायनिक फ्रॉथिंग एजेंट डाले जाते हैं।

(iv) लीचिंग: यदि अयस्क किसी उपयुक्त विलायक, उदा. अम्ल, क्षार और उपयुक्त रासायनिक अभिकर्मकों में घुलनशील हो, तो लीचिंग प्रायः प्रयोग की जाती है।

(C) सांद्रित अयस्क से कच्चे धातु का निष्कर्षण:

सांद्रित अयस्क से धातुओं के पृथक्करण में दो प्रमुख चरण शामिल होते हैं जैसे नीचे दिया गया है।

(i) ऑक्साइड में रूपांतरण:

कैल्सिनेशन:

यह सांद्रित अयस्क को हवा की सीमित आपूर्ति में या हवा की अनुपस्थिति में तेजी से गरम करने की प्रक्रिया है। कैल्सिनेशन की प्रक्रिया निम्नलिखित परिवर्तन लाती है:

(a) कार्बोनेट अयस्क धातु के ऑक्साइड बनाने के लिए विघटित हो जाता है।

(b) हाइड्रेटेड ऑक्साइड अयस्क में उपस्थित क्रिस्टलीकरण जल नम के रूप में नष्ट हो जाता है।

(c) यदि अयस्क में कार्बनिक पदार्थ उपस्थित हो, तो वह बाहर निकल जाता है और अयस्क छिद्रिल हो जाता है। वाष्पशील अशुद्धियाँ दूर हो जाती हैं।

रोस्टिंग:

यह सांद्र अयस्क (आमतौर पर सल्फाइड अयस्क) को उसके गलनांक से नीचे हवा या $\mathrm{O}_{2}$ की अधिकता में तेजी से गरम करने की प्रक्रिया है। रोस्टिंग एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है, एक बार शुरू होने पर इसे अतिरिक्त ताप की आवश्यकता नहीं होती।

स्मेल्टिंग :

(i) स्लैग निर्माण : कई निष्कर्षण प्रक्रियाओं में, अन्य अशुद्धियों के साथ मिलकर एक स्थिर द्रवित चरण बनाने के लिए जानबूझकर एक ऑक्साइड मिलाया जाता है जो द्रव धातु के साथ अपरद्रव्य होता है और इसे स्लैग कहा जाता है। इस प्रक्रिया को स्मेल्टिंग कहा जाता है।

स्लैग निर्माण का सिद्धांत अनिवार्यतः निम्नलिखित है :

अधातु ऑक्साइड (अम्लीय ऑक्साइड) + धातु ऑक्साइड (क्षारीय ऑक्साइड) $\longrightarrow$ फ्यूजिबल (आसानी से पिघलने वाला) स्लैग

अवांछित क्षारीय और अम्लीय ऑक्साइडों की विलोपन: उदाहरण के लिए, तांबे के पाइराइट से $\mathrm{Cu}$ के निष्कर्षण में $\mathrm{FeO}$ अशुद्धि होता है।

मैट में आयरन(II) सल्फाइड की बहुत कम मात्रा भी होती है।

अवांछित अम्लीय अशुद्धियों जैसे रेत और $P_4O_{10}$ को हटाने के लिए, स्मेल्टिंग चूना पत्थर की उपस्थिति में की जाती है।

$CaCO_3 \longrightarrow CaO+CO_2$

$CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3(\text{फ्यूजिबल स्लैग})$

$6CaO + P_4O_{10} \longrightarrow 2Ca_3(PO_4)_2 (\text{फ्यूजिबल स्लैग - थॉमस स्लैग})$

(ii) धातु ऑक्साइड का अपचयन :

मुक्त धातु एक यौगिक के अपचयन द्वारा प्राप्त किया जाता है, जिसमें या तो एक रासायनिक अपचायक या विद्युत अपघटन प्रयोग किया जाता है।

रासायनिक अपचयन विधि :

कार्बन द्वारा अपचयन :

$$ \mathrm{PbO}+\mathrm{C} \longrightarrow \mathrm{Pb}+\mathrm{CO} \text { (सीसे का निष्कर्षण) } $$

(\mathrm{CO}) द्वारा अपचयन : कुछ मामलों में भट्टी में स्वयं उत्पन्न (\mathrm{CO}) को अपचायक के रूप में प्रयुक्त किया जाता है।

$$ Fe_2O_3 + 3CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_2 $$

अन्य धातुओं द्वारा अपचयन :

धातु ऑक्साइड ( (\mathrm{Cr}) और (\mathrm{Mn}) ) को अत्यधिक विधायक धातु जैसे ऐलुमिनियम द्वारा अपचित किया जा सकता है, जो (Al_2 O_3) में ऑक्सीकृत होकर बड़ी मात्रा में ऊर्जा (1675 (\mathrm{kJ} / \mathrm{mol}) ) मुक्त करता है। इस प्रक्रिया को गोल्डश्मिड या ऐलुमिनोथर्मिक प्रक्रिया कहा जाता है और इस अभिक्रिया को थरमाइट अभिक्रिया कहा जाता है।

$$ Cr_2O_3 + Al\rightarrow 2Cr(l) + Al_2O_3 $$

मैग्नीशियम अपचयन विधि : मैग्नीशियम की भी इसी प्रकार ऑक्साइड को अपचित करने के लिए उपयोग किया जाता है। कुछ मामलों में जहाँ ऑक्साइड अपचयन के लिए अत्यधिक स्थिर हो, विधायक धातुओं का उपयोग हैलाइडों को अपचित करने के लिए किया जाता है।

$TiCl_4 + 2 Mg \xrightarrow[1000-1150^oC] {\text{ क्रॉल प्रक्रिया }} Ti + 2 MgCl_2$

$TiCl_4 + 4 Na \xrightarrow { \text{IMI प्रक्रिया }} Ti + 4 NaCl$

स्व-अपचयन विधि :

इस विधि को स्वतः-अपचयन विधि या वायु-अपचयन विधि भी कहा जाता है। यदि कम विधायक धातुओं जैसे (\mathrm{Hg}, \mathrm{Cu}), (\mathrm{Pb}, \mathrm{Sb}), आदि के सल्फाइड अयस्कों को हवा में गरम किया जाए, तो इनका एक भाग ऑक्साइड या सल्फेट में बदल जाता है, फिर वह सल्फाइड अयश के शेष भाग से अभिक्रिया करके उसकी धातु और (\mathrm{SO}_{2}) देता है।

$Cu_2S + 3O_2 \longrightarrow 3Cu_2O + 2SO_2$

$2Cu_2O + Cu_2S \longrightarrow 6Cu + SO_2$

विद्युत-अपघटनीय अपचयन :

यह अपचयन की सबसे शक्तिशाली विधि प्रस्तुत करता है और अत्यंत शुद्ध उत्पाद देता है। चूँकि यह रासायनिक विधियों की तुलना में महँगी विधि है, इसलिए इसका उपयोग या तो अत्यंत क्रियाशील धातुओं जैसे मैग्नीशियम या एल्युमिनियम के लिए किया जाता है या फो उच्च शुद्धता के नमूनों के उत्पादन के लिए किया जाता है।

(i) जलीय विलयन में : विद्युत-अपघटन सुविधाजनक और सस्ते तरीके से जलीय विलयन में किया जा सकता है बशर्ते उत्पाद जल से अभिक्रिया न करें। ताँबा और जिंक उनके सल्फेटों के जलीय विलयन के विद्युत-अपघटन द्वारा प्राप्त किए जाते हैं।

(ii) संगलित गलन mixture में : एल्युमिनियम $Al_2O_3$ और क्रायोलाइट $Na_3[AlF_6]$ के संगलित मिश्रण के विद्युत-अपघटन द्वारा प्राप्त किया जाता है।

एल्युमिनियम का निष्कर्षण:

इसमें निम्नलिखित प्रक्रम शामिल हैं

(a) बॉक्साइट की शुद्धीकरण :

(b) विद्युत-अपघटनीय अपचयन (हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रम) :

$$ 2Al_2O_3 + 3C \longrightarrow 4Al + 3CO_2 $$

कैथोड :

$$ \mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{melt})+3 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{Al}(\mathrm{l}) $$

एनोड :

$$ \begin{aligned} & \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O}^{2-}(\text { melt }) \longrightarrow \mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-} \ & \mathrm{C}(\mathrm{s})+2 \mathrm{O}^{2-}(\mathrm{melt}) \longrightarrow \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{e}^{-} \end{aligned} $$

एलिंगहैम आरेख

कुछ महत्वपूर्ण धातुओं की धातुकर्म

1. हेमेटाइट अयस्क से लोहे का निष्कर्षण

संलग्न अभिक्रियाएँ:

$500-800 \mathrm{~K}$ पर (ब्लास्ट फर्नेस का निम्न तापमान सीमा)

$3Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$

$Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3Fe + 4CO_2$

$Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2FeO + CO_2$

$900-1500 \mathrm{~K}$ पर (ब्लास्ट फर्नेस का उच्च तापमान सीमा):

$C + CO_2 \longrightarrow 2 CO ; \quad FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2$

चूना पत्थर भी $\mathrm{CaO}$ में वियोजित होता है जो अयस्क की सिलिकेट अशुद्धि को स्लैग के रूप में हटा देता है। स्लैग द्रव अवस्था में होता है और लोहे से अलग हो जाता है।

$CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2 ; \quad CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3$

2. तांबे का निष्कर्षण:

कॉपर ग्लांस / कॉपर पाइराइट से (स्व-अवकलन):

$2CuFeS_2 + 4O_2 \longrightarrow Cu_2S + 2FeO + 3SO_2$

$Cu_2S + FeO + SiO_2 \longrightarrow FeSiO_3$ (विलेय स्लैग) $+Cu_2S$ (मैट)

$2FeS + 3O_2 \longrightarrow 2FeO + 2SO_2 \quad ; FeO + SiO_2 \longrightarrow FeSiO_3$

$2Cu_2S + 3O_2 \longrightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$;

$2Cu_2O + Cu_2S \longrightarrow 6Cu + SO_2$ (स्व-अपचयन)

3. सीसे का निष्कर्षण :

(i) $2PbS(s) + 3O_2$ (g) $\stackrel{\Delta}{\longrightarrow} 2PbO(s) \xrightarrow[\Delta]{+C} 2 Pb(\ell) + CO_2(g)$

(ii) $3PbS(s) \xrightarrow[\text { वायु }]{\text { में गरम करें }} PbS(s) + 2PbO$ (s) $\xrightarrow [\text {वायु की अनुपस्थिति}]{\text { में गरम करें }} 3Pb(\ell) + SO_2(g)$

4. जिंक ब्लेंड से जिंक का निष्कर्षण :

अयस्क को अधिक वायु की उपस्थिति में 1200 K ताप पर रोस्ट किया जाता है।

$$ 2ZnS + 3O_2 \longrightarrow 2ZnO + 2SO_2 $$

जिंक ऑक्साइड का अपचयन कोक का उपयोग करके किया जाता है।

$$ \mathrm{ZnO}+\mathrm{C} \xrightarrow{\text { कोक,1673K }} \mathrm{Zn}+\mathrm{CO} $$

5. कैसिटेराइट से टिन का निष्कर्षण :

सांद्रित अयस्क को चुंबकीय अशुद्धि वोल्फ्रामाइट को हटाने के लिए विद्युतचुंबकीय पृथक्करण के अधीन किया जाता है।

$\mathrm{SnO}_{2}$ को 1200-1300^{\circ} \mathrm{C} पर विद्युत भट्ठी में कार्बन का उपयोग करके धातु में अपचयित किया जाता है। उत्पाद में अक्सर $\mathrm{Fe}$ के अंश होते हैं, जिन्हें द्रव मिश्रण में वायु फूंककर $\mathrm{FeO}$ को ऑक्सीकृत करके हटाया जाता है, जो फिर सतह पर तैरता है।

6. मैग्नीशियम का निष्कर्षण :

समुद्र के पानी से (डाउ प्रक्रम) :

समुद्र के पानी में $0.13 %$ मैग्नीशियम क्लोराइड और सल्फेट के रूप में होता है। इसमें निम्नलिखित चरण शामिल हैं।

(a) मैग्नीशियम को स्लेक्ड लाइम द्वारा मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड के रूप में अवक्षेपित करना।

(b) हेक्साहाइड्रेटेड मैग्नीशियम क्लोराइड की तैयारी।

सॉल्यूशन को सांद्रित और क्रिस्टलीकृत करने पर $MgCl_2 \cdot 6H_2O$ के क्रिस्टल प्राप्त होते हैं।

(c) अनहाइड्रस मैग्नीशियम क्लोराइड की तैयारी।

(d) फ्यूज्ड अनहाइड्रस $\mathrm{MgCl}_{2}$ की $\mathrm{NaCl}$ की उपस्थिति में इलेक्ट्रोलिसिस।

$$ \mathrm{MgCl}_{2} \rightleftharpoons \mathrm{Mg}^{2+}+2 \mathrm{Cl}^{-} $$

कैथोड पर : $\quad \mathrm{Mg}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{Mg} (99$ % शुद्ध );

एनोड पर : $\quad 2 \mathrm{Cl}^{-} \longrightarrow \mathrm{Cl}_{2}+2 \mathrm{e}^{-}$

7. सोने और चांदी का निष्कर्षण (मैकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाइड प्रक्रम)

(a) मूल अयस्कों से : सोने और चांदी का निष्कर्षण धातु को $\mathrm{CN}^{-}$ के साथ लीचिंग करने से होता है।

$4Au / Ag(s) + 8CN^-(aq) + 2H_2O(aq) + O_2(g) \longrightarrow 4\left[Au / Ag(CN)_2\right]^-(aq) + $ $4 OH(aq)$

$2\left[Au/ Ag(CN)_2\right]^{-}(aq) + Zn(s) \longrightarrow 2Au / Ag(s) + \left[Zn(CN)_4\right]^{2-}(aq)$

(b) अर्जेन्टाइट अयस्क से :

$Ag_2S$ (सांद्र अयस्क) $ + 2NaCN \stackrel{\text { वायु }}{\rightleftharpoons} 2AgCN + Na_2S$.

$4Na_2S + 5O_2 + 2H_2O \longrightarrow 2Na_2SO_4 + 4NaOH + 2S$

$AgCN + NaCN \longrightarrow Na\left[Ag(CN)_2\right]$ (घुलनशील संकुल)

$2Na\left[Ag(CN)_2\right] + Zn$ (धूल) $\longrightarrow 2Ag \downarrow + Na_2\left[Zn(CN)_4\right]$।

(D) धातुओं का शुद्धिकरण या परिष्करण :

भौतिक विधियाँ :

इन विधियों में निम्नलिखित प्रक्रियाएँ शामिल हैं:

(I) लिक्वेशन प्रक्रिया : यह प्रक्रिया उस धातु की शुद्धि के लिए प्रयोग की जाती है जो स्वयं आसानी से गलनशील हो, परंतु उसमें उपस्थित अशुद्धियाँ गलनशील नहीं होतीं, $\mathrm{Sn}$ और $\mathrm{Zn}$ की शुद्धि के लिए तथा $\mathrm{Zn}-\mathrm{Ag}$ मिश्रधातु से $\mathrm{Pb}$ को हटाने के लिए प्रयोग की जाती है।

(II) अंशिक आसवन प्रक्रिया : यह प्रक्रिया उन धातुओं को शुद्ध करने के लिए प्रयोग की जाती है जो स्वयं वाष्पशील होती हैं और उनमें उपस्थित अशुद्धियाँ अवाष्पशील होती हैं और इसका विपरीत भी। $\mathrm{Zn}, \mathrm{Cd}$ और $\mathrm{Hg}$ को इस प्रक्रिया द्वारा शुद्ध किया जाता है।

(III) जोन परिष्करण विधि (अंशिक क्रिस्टलीकरण विधि) : यह प्रक्रिया तब प्रयोग की जाती है जब धातुओं की बहुत उच्च शुद्धता में आवश्यकता होती है, किसी विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए। उदाहरण के लिए शुद्ध $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ का प्रयोग अर्धचालकों में किया जाता है।

रासायनिक विधियाँ :

इन विधियों में निम्नलिखित विधियाँ शामिल हैं:

(i) ऑक्सीडेटिव परिष्करण :

यह विधि सामान्यतः $\mathrm{Pb}, \mathrm{Ag}$, $\mathrm{Cu}, \mathrm{Fe}$ आदि धातुओं के परिष्करण के लिए प्रयोग की जाती है। इस विधि में दूषित द्रवित धातु को विभिन्न तरीकों से ऑक्सीकरण के अधीन किया जाता है।

(ii) पोलिंग प्रक्रिया :

यह प्रक्रिया तांबे और टिन की शुद्धि के लिए प्रयोग की जाती है जिनमें उनके स्वयं के ऑक्साइड की अशुद्धियाँ होती हैं।

$\text { हरा लकड़ी } \rightarrow \text { हाइड्रोकार्बन } \rightarrow CH_4$

$4CuO + CH_4 \rightarrow 4Cu\text { (शुद्ध धातु) } + CO_2 + 2H_2O$

(iii) विद्युत अपघटनी परिष्करण :

कुछ धातुएँ जैसे $\mathrm{Cu}, \mathrm{Ni}$, और $\mathrm{Al}$ को विद्युत अपघटनी विधि से परिष्कृत किया जाता है।

(iv) वाष्प चरण परिष्करण :

(i) निकेल का निष्कर्षण (मोंड प्रक्रिया) : अभिक्रियाओं का क्रम है

$H_2O(g )+ C \longrightarrow CO(g) + H_2$

$ Ni(s) + 4CO(s) $ $ \xrightarrow{50^{\circ} C}$ $ Ni(CO_4) (g) $

$ Ni(CO)_4 (g) \xrightarrow{200^{\circ} C} Ni + 4CO(g)$

(ii) वान आर्केल-डी बोअर प्रक्रिया :

$$\text { अशुद्ध } Ti + 2I_2 \xrightarrow{50-250^{\circ} \mathrm{C}} TiI_4 \xrightarrow[\text { टंगस्टन तार }]{1400^{\circ} \mathrm{C}} Ti + 2I_2 $$